利用色散平坦渐减PCF产生宽带超连续谱

　　0　引言

　　超连续谱是指强度很高的光脉冲入射到非线性光学介质中,光谱得到极大展宽的现象。超连续谱在超短脉冲的产生、光谱检测、生物医学、光学相干层析、光计量学、光通信等许多领域有着重要的应用。人们已经在多种传光纤中得到了超连续谱。近年来,随着光子晶体光纤(PCF)的发展,PCF被证明是产生超连续谱的极好介质[1-3],利用PCF产生超连续谱的研究已引起了人们极大的关注。

　　对于超连续谱光源,光谱的宽度和平坦度是衡量光谱质量的两个重要因素,特别是对于波分复用光通信系统,它要求在很宽的波段范围内提供功率均衡的多波长信道,而宽带平坦的超连续谱既能满足足够的带宽要求,又减少了功率均衡的技术难度,因此是很有吸引力的。为了在光通信波段获得宽带平坦的超连续谱,光纤的色散特性和抽运条件都需要满足一定的要求。PCF又称为微结构光纤,其纤芯通常由石英构成,而包层中沿光纤轴向排列着空气孔。通过改变包层中空气孔的大小、排列以及形状,可以灵活地设计PCF的色散、非线性和偏振等特性[4-6]。因此,通过合理设计PCF,获得符合要求的超连续谱光纤是有可能的。如文献[7]实验报道了利用2.2 ps的光脉冲和200 m的色散平坦保偏PCF,在1 550 nm波段附近获得了宽40 nm的超连续谱。文献[8]利用1.6 ps的光脉冲和80 m的色散平坦PCF,获得宽100 nm的超连续谱。文献[9]设计了一种高非线性色散平坦PCF,其数值结果表明利用320 m的光纤可在通信窗口获得宽60 nm的超连续谱。以上所采用的色散平坦PCF具有正常色散值,为了获得较宽的超连续谱,需要较高的抽运功率和较窄的脉冲宽度。本文结合PCF和拉锥的优点设计了一种色散平坦渐减PCF,在通信波段能有效地产生宽带平坦的超连续谱,并研究了各种参量对超连续谱的影响。

　　1　色散平坦渐减PCF的设计与光纤特性

　　我们结合PCF和拉锥的特点设计光纤。首先选择合适的结构参量,使PCF在1.55μm波段的反常色散区获得平坦的色散特性。接着通过拉锥使光纤的横截面沿光纤长度方向逐渐减少,使光纤的色散曲线由反常色散区逐渐移动到正常色散区。选择平坦的色散特性是由于色散斜率较小,减少三阶色散对脉冲传输的影响,而通过拉锥则可以改变光纤的波导色散,以实现对总色散的控制。

　　选择光纤的包层空气孔为六角型排布,设初始空气孔直径d=d0=0.632μm,空气孔间距Λ=Λ0=2.6μm。光纤在拉锥过程中横截面以一定比例减少,可以认为光纤的相对孔径d/Λ保持不变空气孔间距Λ随光纤长度z的变化关系可以反映拉锥的情形,分别考虑Λ随光纤长度z线性减少和随z成凹型函数关系减少两种情形,分别由下列式子表示: